NO773534L - Ovn for direkte reduksjon av malmer - Google Patents

Description

Ovn for direkte reduksjon av malmer.

Foreliggende oppfinnelse vedrører en . f all-.tilf ørsels jaktovn for direkte reduksjon av sortert eller pelletisert jernmalm, hvori jernmalmen innmates til toppen av sjaktovnen og synkerned gjennom denne ved sitt fall for reduksjon ved forhøyede temperatu-rer av en sterkt reduserende gassatmosfære i en reduksjonssone, etterfulgt av avkjøling i en ikke-oksyderende atmosfære i en kjølesone i ovnen,hvoretter malmen utføres i den nedre del av ovnen ved en temperatur som ikke overstiger ca. 9 5°C. Mere spesielt tilveiebringer oppfinnelsen en struktur som sikrer en jevn faststoffstrøm og samtidig forbedres fordelingen av kjøle-gass i kjølesonen og fordelingen av varm reduserende gass i reduksjonssonen i en sjaktovn av den ovenfor beskrevne type.

Oppfinnelsen har spesiell anvendelse ved reduksjon av pelleti-serteog/eller sortertejernmalmpartikler med en diameter i området 9,5 - 38 mm. Betegnelsen "sortert malm" vil i det etter-følgende bli anvendt for å betegne både oppredet og pelletisert jernmalm, samt malmer som er nedbrutt og underkastet en sikteoperasjon for separasjon av uønskede partikkelstørrelser.

Teknikkens stand på dette felt vil fremgå av de følgende US-patentskrifter: 3.876.189 3.591.158

3.836.131 3.450.396

3.764.123 3.063.695

3.749.386 2.931.720

2.873.183

Anordning av et aksielt, sentralt anordnet element i en sjaktovn er vist i det følgende i de ovenfornevnte US-patenter 3.876.189, 3.836.131, 3.749.386, 3.591.158 og 2.931.720.

Injeksjon av varm reduserende gass i den sentrale del av sjaktovnen er vist i US-patentene nr. 3.591.158 og 3.450.396.

Injeksjon av kjølegass i det sentrale området av kjølesonen i

en sjaktovn er vist i de følgende US-patenter 3.836.131, 3.764.123, 3.749.386 og 2.931.720, hvorav det sistnevnte også viser innføring av kjølegass rundt periferien av en kjølesone.

Selv om det innen teknikkens stand har vært anerkjent at det

er ønskelig med en jevn gassfordeling både i reduksjonssonen og kjølesonen for å oppnå jevn malmreduksjon og jevn avkjøling av den reduserte malm til en temperatur under den ved hvilken re-oksydasjon av jern ville kunne finne sted ved utføring til luft, forutsetter ikke de forskjellige midler og strukturer som er vist i de ovenf ornevnte patenter., eller ville i seg selv ikke tilvéie-bringe en jevn faststoffstrøm som, i henhold til fore-

liggende oppfinnelse, er den basis fra hvilken jevn gassfordeling og behandlingstid for malmpartiklene er avledet. I motsetning til dette angir US-patent nr. 3.836.131 en kompleks gassfordelingsanordning hvis hensikt er å variere tiden under hvilken partikler med forskjellig hastighet utsettes for kjølegassen, i den hensikt for å kompensere for manglende jevn-het i faststoffstrømmen, og således tilsynelatende innrømmer at det ikke har vært mulig å oppnå en jevn faststoffstrøm.

Det synes således åpenbart at fagmannen innen teknikkens stand har arbeidet i en retning som er direkte motsatt av den som fremgår av foreliggende oppfinnelse.

Det er en hovedhensikt med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en ovnstruktur og midler for innføring av reduserende gass og kjølegass i denne, som sikrer jevn faststoff-strøm i reduksjons- og kjølesonen,og derved fremme en jevn fordeling av reduksjons- og kjølegassene i den sorterte malm, samt en jevn kontakttid for disse gasser med malmen.

<;>I henhold til oppfinnelsen er det tilveiebrakt en falltil-førselsjaktovn for reduksjon av sorterte jernmalmer og som omfatter en innmatningsdel, en reduksjonssone, en kjølesone og en utførselssone og som er særpreget ved en i det vesentlige sylindrisk reduksjonssone som kommuniserer direkte med en i det vesentlige synlindrisk kjølesone, en innover avskrånende ut-førselssone med ellipsoid tverrsnitt, et langstrakt i det vesentlige sylindrisk element aksielt anordnet inne i ovnen og som utstrekker seg oppover fra utførselssonen gjennom kjøle-sonen og avsluttes inne i reduksjonssonen, en konisk toppdel festet til elementet og formet slik at det forårsaker en jevn bevegelse av den sorterte malm nedover i reduksjonssonen, midler for innføring av varm reduserende gass i bunnen av det sylindriske element for en oppadrettet strøm i denne, midler for fordeling av varm reduserende gass inn i senteret av reduksjonssonen nær den nedre del av denne, midler for innføring av kjølegass i det sylindriske element for å avkjøle anordningen for fordeling av den varme reduserende gass, midler for å fordele kjølegassen inn i senteret av kjølesonen nær den nedre del av denne, samt midler i utløpssonen for å bære det sylindriske element.

Fortrinnsvis er en kanal anordnet for å føre varm reduserende gass oppover inne i det sylindriske element, og denne kanal er omgitt av en konsentrisk kappe inn i hvilken kald reduserende gass injiseres for derved å sikre strukturell helhet ved å avkjøle den ytre overflate av kanalen.

Varm reduserende gass innføres i bunnen av reduksjonssonen gjennom et antall nedadrettede perifere åpninger i et indre, ildfast fordelings(bustle)rør, som ved reduksjonstemperaturen har tilstrekkelig styrke til å motstå kreftene som forårsakes av den nedadrettete bevegelige sorterete malm.

Kjølegassen injiseres også inn i bunnen av kjølesonen gjennom et perifert fordelingsskjørt.

En jevn faststoffstrøm, vanlig betegnet som "pluggstrøm" i en direkte reduksjonssjaktovn adskiller seg fra konvensjonell bingestrøm-teori i to grunnleggende henseende.

For det første vil den tvunge (oppadrettede) gass-strøm i ovnen samvirke med faststoffstrømmen (nedad) og forandre faststoffets strømningsmønster;hvilevinkel og kritiske vegghellevinkler. Dette fenomen er eksemplifisert ved at det kreves steilere kone-vinkler for å oppnå pluggstrømning med motstrømmende gass og en forøket evne for faststoffene til å flyte fra under innløpene for den varme reduserende gass, som innføres fra det ovenfornevnte interne fordelings(bustle)rør. Det er ytterligere fun-net at den koniske topp av det aksielle sylindriske element bør ha en progressivtøkende hellingsvinkel for å sikre pluggstrøm som følge av. effekten forårsaket av gassen som strømmer i mot-strøm rundt denne.

For det andre vil egenskapene for den sorterte malm forandre seg når malmen beveges ned gjennom ovnen. Opprinnelig er par-tiklene kohesjonsfrie og forandres til å bli meget kohesive i reduksjonssonen og til slutt bli kohesjonsfrie etter reduksjon og avkjøling. Volumvekten forandres også under reduk-sjonsprosessen. Disse faktorer nødvendiggjør konstruksjons-betraktninger som ikke er tilstede for standard bingestrøm.

Det henvises til de vedlagte tegninger hvor:

Fig. 1 er.et delvertikalsnitt av en direkte reduksjonssjaktovn i henhold til oppfinnelsen,

fig. 2 viser i forstørret skala en del av fig. 1,

fig. 3 er et sideriss av kjøle og utføringssonene for sjaktovnen ifølge fig..1, dreiet 90° i forhold til planet av fig. 1.,

fig. 4 viser et oppriss tatt langs linjen 4-4 i fig. 3,

fig. 5 er et oppriss tatt langs linjen 5-5 i fig. 3,

fig. 6 er et oppriss tatt langs linjen 6-6 i fig. 3,

fig. 7 er et oppriss tatt langs linjen 7-7 i fig. 3 og fig. 8 er et oppriss tatt langs linjen 8-8 i fig. 3.

Under henvisning til fig. 1 så er direkte reduksjonssjaktovn indikert generelt med 10 og omfatter en øverste innmatnings-seksjon 11, forsynt med et aksialt innløp 12 gjennom hvilket sortert malm innføres. Transport og matemekanismen er ikke vist da disse ikke utgjør noen del av foreliggende oppfinnelse.. En kanal (ikke vist) er også anordnet for fjernelse av for-brukt reduserende gass som har passer opp gjennom ovnen.

Et ytre metallskall 13 og en ildfast foring 14 danner en i det vesentlige sylindrisk reduksjonssone vist generelt ved 15.

Et ytre metallskall 16 og en ildfast foring 17 danner en i

det vesentlige sylindrisk kjølesone indikert generelt ved 20,

og som kommuniserer direkte med reduksjonssonen.

I fig. 1, 3 og 5 - 7 er uttømningssonen generelt vist ved

25 og omfatter en ellipseformet, innad avskrånende overgangsseksjon 26 som kommuniserer direkte med kjølesonen 20, en knuseseksjon (a breaker bar) 27 med i det vesentlige rektan-gulært horisontal-tverrsnitt, samt ytterligere utførings-sjakter 28, 29 og 30 gjennom hvilke de reduserte malmer fal-

ler ned på en ikke vist transportanordning for etterfølgende behandling.

I fig. 1 og 2 er det langstrakte, i dat vesentlige sylindriske element generelt indikert med 35 og er anordnet aksielt inne i ovnen og utstrekker seg oppover fra seksjonen 26 i utfør-selssonen 25 gjennom kjølesonen 20 og avsluttes i reduksjonssonen 15 med en generell konisk formet topp 36, hvis maksimale diameter er større enn den for den sylindriske del av. elementet 35. Som det vil bli forklart mere detaljert i det etterfølgende så har toppen 36 en variabel helning som blir tiltagende steilere fra toppen til bunnen av denne, i over-ensstemmelse med den varierende gasshastighetsprofil over dens overflate.

I

Som det best fremgår av fig. 2 omfat Jter elementet 35 et ytre sylindrisk skall eller hus 37 som kan være dekket med et ildfast materiale for abrasjonsmotstand. Inne i det ytre skall 37 er det anordnet et par rør 38 og 39 som er konsentriske med

skallet 37 og med et ringformet rom derimellom. Rørene 38 og

39 utstrekker seg nedover forbi skallet 37 og avsluttes i en

støtteanordning som vil bli beskrevet i det etterfølgende, i den kalde utførselsseksjonen av ovnen. Den indre overflate av røret 39 er fortrinnsvis foret med et ildfast materiale for

føring av varm reduserende gass og avsluttes i en åpen ende tilstøtende den nedre del av toppen 36. Det omliggende rør 38 utstrekker seg over toppen av røret 39 og er forsynt med

et antall radielt anordnede utløp 40. Kald reduserende gass innføres i det ringformede rom mellom rørene 38 og 39 og således tempererer den varme reduserende gass og holder tempe-raturen innenfor tillatelige konstruksjonsgrenser. Den kjø-lige tempereringsgass og den varme reduserende gass blandes

og føres gjennom utløpene 40 inn i et antall nedad hellende ringformede passasjer eller fordeler dannet mellom elementene 41 og 42. Elementet 42 er et konisk metallelement belagt

med et ildfast belegg 43 for abrasjonsmotstand. Som tidli-gere angitt har den ytre overflate av det ildfaste materia-let 43 en konisk tupp med en vinkel på ca. 45° og som blir progressivt steilere og nærmer seg vertikalen ved den nedre ende av denne og tilstøtende fordeleren for blandingen av blandegass og varmreduserende gass.

Den beskrevne anordning innfører således en blandet reduserende gass i den aksielle del av reduksjonssonen ved den nedre ende av denne og passerer oppover med en varierende gasstrykkgradient over den ildfaste overflate 43 og oppvar-mes når den passerer opp gjennom reduksjonssonen. Følgelig .vil den kjølige blandegass innført i det ringformede rom mellom rørene 38 og 3 9 bli oppvarmet reduserende gass.

Støtteanordningen for det sylindriske element 3 5 er indikert generelt ved 45 og er anordnet tvers over den ellipseformede overgangsseksjon 26 i et kjølig område av ovnen og sikrer således en strukturell integritet. Støtteanorndingen innbefatter et innløp 4 6 for varm reduserende gass og kommuniserer

I

med røret 39, et innløp 4 7 for kjølig blandegass kommuniserer med et kammer 48 (plenum member) som på sin side kommuniserer med det ringformede rom mellom rørene 38 og 39. Kammeret 4 8 har en tilstrekkelig lengde til at det stikker ut på begge sider av det ellipseformede element 26 og er festet til dette ved sveising og tilveiebringer derved en stiv understøttelse for det oppad rettede sylindriske element 35 med toppen 36.

Ytterligere kjølegassinnløp er anordnet ved 50, hvorav to er vist som eksempel i fig. 1 og 2. Disse innløp utstrekker seg oppover og er nær den øvre del derav omgitt av en hylse 51. Innløpene 50 avslutter tilstøtende den nederste del av skallet eller huset 37 og avbøyningsflåtene 52 er anordnet utstrek-kende mellom huset 37 og røret 38 som avbøyer kjølegassen nedad og utad for å stige opp i den sentrale del av kjølesonen. Det er således en jevn fordeling av kjølegass i kjølesonen rundt grunndelen av skallet 37.

Et indre ildfast fordelingsrør er indikert generelt ved 55. Dette innbefatter et antall innløp 56 for varm reduserende gass, hvorav to er vist som eksempel i fig. 1 og 2, og et antall spesielt formede ildfaste deler 57 som er konstruert til å ha tilstrekkelig tverrstyrke til tross for temperaturene i reduksjonssonen til å motstå de krefter som dannes av de nedadsynkende malmpartikler.

Et antall perifert anordnede åpninger 57a er anordnet i de ildfaste deler 57 gjennom hvilke varm reduserende gass inn-føres fordelt rundt yttersiden av den reduserende sone i den nederste kant av denne. Det vil således fremgå at reduserende gass innføres både langs periferien og sentralt i re-duks jonssonen for å tilveiebringe en jevn oppadrettet strøm gjennom hele tverrsnittet av denne. Siden toppen 3 6 av det sylindriske element er dimensjonert og anordnet på en slik måte at det forårsakes pluggstrøm av faststoffet i den reduserende sone vil det være åpenbart at optimale reduksjons-betingelser er tilveiebrakt.

<y>tterligere kjølegass innføres langs periferien av den nederste

kant av kjølesonen gjennom et- kjølegassfordelingsskjørt, indikert generelt ved 60 i.fig. 1 og 2. Dette omfatter et innløp 61 for kjølegass og et nedadrettet avskrånende perifert metall-skjøxt 62 som generelt er parallelt med den ellipseformede overgangsseksjon 26. Dette tilveiebringer en kontinuerlig perifer kanal gjennom hvilken kjølegassen føres nedad og ut inn til kjølesonen.

Ved utøvelse av foreliggende oppfinnelse er det foretrukket at kjølegassen som innføres gjennom innløpene 47 og 50 er ren-set og kjølt toppgass som er trukket ut fra den øvre del 11 av ovnen etter passasje gjennom reduksjonssonen. Typisk vil kjølegassen være ved en temperatur på ca. 40°C og under dens gang gjennom kjølesonen 20 fjerner den fri varme fra den reduserte malm og når en temperatur på 6 50 - 900°C på det tidspunkt den går inn i reduksjonssonen 15. Den blir da en del av den reduserende gass i reduksjonssonen. Den reduserte malm passerer nedover gjennom utløpseksjonen 25 etter at den er av-kjølt til en temperatur som ikke overstiger ca. 95°C.

Varme reduserende gasser innføres gjennom innløpene 4 6 og 56 bg har en temperatur på 650 - 930°C. Det kan henvises til US-patent nr. 3.905.806, hvori beskrives sammensetningen og en måte for fremstilling av den varme reduserende gass.

I en installasjon med en kapasitet på 1200 tonn redusert malm pr. døgn var totalhøyden på ovnen fra toppen til det sted hvor det reduserte produkt ble utført 36,58 m. Den maksimale indre diameter av reduksjonssonen var 5,03 m, mens den maksimale indre diameter av kjølesonen var 5,64 m. Toppen av det sylindriske element 35 hadde en maksimal diameter på 2,44 m. Lengden av kjølesonen 20 var 4,57 m.

Størrelsen og formen av det sylindriske element 35 og dens topp 36 ble utledet fra eksperimentelle forsøk og teore-tiske betraktninger. Disse bestemmelser var basert på et antall forskjellige konstruksjonskriteria, hvorav det vik-tigste var som følger:

I

I den øvre del av reduksjonssonen må malmen bevege seg med et jevnt hastighetsmønster slik at gass og faststoffstrøm-ningslinjene faller sammen. Dette området må ha tilstrekkelig lengde for å tilveiebringe den nødvendige retensjonstid for varmeoverføring og reduksjonsreaksjoene.

Ved den nedre del av reduksjonssonen hvor varm reduserende gass innføres må faststoffet strømme forbi det indre ildfaste for-delingsrør på en kontinuerlig måte slik at det ikke oppstår noen "døde" områder ved eller over innløpene. Innløpsarealet må være tilstrekkelig stort til å eliminere lokal fluidisering av malmpartiklene, hvilket ville forårsake opphopning av par-tiklene eller kanalisering av gassen. Fordelingen av varm reduserende gass må være tilstrekkelig jevn til å forårsake sammenfalling av gass og faststoffstrømningslinjene i en kort avstand over innløpene.

I kjølesonen må faststoff- og gass-strømmene være så jevne som mulig for å tilveiebringe den mest effektive og jevne avkjøling som mulig. Lengden av kjølesonen må være tilstrekkelig for å kjøle klumpene av redusert malm til ca. 95°C

for den beregnede produksjon.

Gasshastigheten i hele kjølesonen må være jevn.

Ved bunnen av kjølesonen hvor kjølegassen innføres må ikke-strømmende faststoffområder elimineres og jevn strøm av faststoff må bibeholdes.

I utløpessonen finner det ingen kjemiske reaksjonser stede, men dens konstruksjon må være slik at det dannes jevn faststoff hastighet for å knuse eventuelt dannede agglomerater av den reduserte malm og for mekanisk å forsegle gassene under trykk i ovnen fra atmosfæren.

Ved løsning av komplekse serier av matematiske ligninger,

i hvilke eksperimentelle data og visse forutsetninger inn-gikk ble den ovenfor beskrevne ovn utviklet og som tilfreds-stilte de ønskede konstruksjonskriteria.

Claims (9)

1. Falltilførselssjaktovn for reduksjon av sorterte jernmalmer omfatter en matesone, en reduksjonssone, en kjølesone og en utførselssone, karakterisert ved en i det vesentlige sylidrisk reduksjonssone som kommuniserer direkte med en i det vesentlige sylindrisk kjølesone, en innover skrånende utløpssone med et i det vesentlige ellipseformet tverrsnitt, et forlenget i det vesentlige sylidrisk element aksielt anordnet inne i ovnen og som utstrekker seg fra utførselssonen gjennom kjølesonen og som terminerer i reduksjonssonen, en konisk topp festet til dette element og utformet på en slik måte at det forårsakes jevn bevegelse av den sorterte malm ned gjennom reduksjonssonen, midler for innføring av varm reduserende gass i bunnen av det sylindriske element for oppadrettet strøm i dette, midler for fordeling av varm reduserende gass i senter av reduksjonssonen tilstø-tende den nedre del derav, midler for innføring av kjøle-gass i det sylindriske element for å avkjøle dette for fordeling av den varme reduserende gass, midler for fordeling av kjøle-gass i senteret av kjølesonen tilstøtende dennes nedre ende og midler i utførselssonen for å understøtte det sylindriske element.

2. Ovn ifølge krav 1, karakterisert ved at midler for fordeling av varm reduserende gass i senter av reduksjonssonen innbefatter et par konsentriske kanaler aksielt anordnet inne i det sylindriske element, det ytre av disse par kanaler er forsynt med et antall ut-løp tilstøtende den øvre ende derav og tilstøtende toppen, det indre av dette kanalpar har en åpen øvre ende, et ringformet rom mellom paret av kanalene kommuniserer med midler for innføring av kjølegass i det sylindriske element for å kjøle det indre av kanalparet og et antall nedadhellende ringformede passasjer som kommuniserer med utløpene rundt periferien av den nedre kant av toppen gjennom hvilke blandet varme og kjølige reduserende gasser innføres i sentrum av reduksjonssonen.

3. Ovn ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter midler for innføring av varm reduserende gass i den nedre ende av periferien av reduksjonssonen.

4. Ovn ifølge krav 3, karakterisert ved at midlene for innføring av varm reduserende gass omfatter et antall fastkilte ildfaste elementer forsynt med et antall nedadhellende åpninger derigjennom.

5. Ovn ifølge krav 1, karakterisert ved at den innbefatter midler for innføring av kjølegass i den nedre ende av periferien av kjølesonen.

6. Ovn. ifølge krav 5, karakterisert ved at midlene for innføring av kjølegass omfatter et nedad innover avskrånende metallskjørt i det vesentlige parallelt med den innover avskrånende utførselssone og derved danner en kontinuerlig periferikanal.

7. Ovn ifølge krav 1, karakterisert ved at midlene for å støtte det sylindriske element innbefatter et innløp for varm reduserende gass, et innløp for kjølig reduserende gass og et samlekammer som utstrekker seg over utførselssonen og er festet til dette.

8. Ovn ifølge krav 1, karakterisert ved at den koniske topp er forsynt med et abrasjonsmot-standsdyktig ildfast belegg med en toppvinkel på ca. 4 5° som progressivt blir steilere og nærmer seg vertikalen ved dens nedre ende.

9. Ovn ifølge krav 1, karakterisert ved at midlene for fordeling av kjølegass i kjølesonen er adskilt fra midlene for innføring av kjølegass i det sylindriske element.